 |
15.Особенности физико-химических свойств воды и их значение в живой природе
|
|
|
|
15. Особенности физико-химических свойств воды и их значение в живой природе
Вода — полярный растворитель, в ней растворяются другие полярные вещества. Такие вещества называют гидрофильными. К этой группе относятся многие соли, моно- и дисахариды, аминокислоты, минеральные кислоты. В растворённом состоянии молекулы или ионы веществ могут свободно двигаться, и они легче вступают в химические реакции.
Вещества, нерастворимые в воде, называются гидрофобными. К ним относятся жиры, многие белки и нуклеиновые кислоты. Гидрофобность некоторых веществ имеет важное значение для живых организмов (например, из таких веществ формируются клеточные мембраны)
Важное свойство воды — способность растворять газообразные вещества (O2, CO2 и др. ).
У воды высокая теплоёмкость, т. е. способностью поглощать много тепла при незначительном возрастании собственной температуры. Высокая теплоёмкость сглаживает температурные колебания и защищает организмы от быстрого и сильного охлаждения или нагревания.
Вода имеет высокую теплоту парообразования, для её испарения необходима довольно большая энергия. Использование значительного количества энергии на разрыв водородных связей при испарении воды способствует её охлаждению. Это свойство воды предохраняет организмы от перегрева. Примеры: испарение воды листьями растений и выделение пота у животных.
У воды также высокая теплопроводность, которая обеспечивает быстрое распределение тепла по всему организму.
Вода не сжимается . Она создаёт тургорное давление и поддерживается упругость тканей и органов. У некоторых беспозвоночных (например, у круглых червей) полостная жидкость выполняет функцию гидростатического скелета.
|
|
|
У воды высокое поверхностное натяжение. Поэтому кровь движется по капиллярам у животных и поднимается по сосудам в растениях.
Функции воды
1. Вода является универсальным растворителем. Благодаря разной растворимости веществ в воде формируются плазматические мембраны.
2. Вода выполняет в живых организмах транспортную функцию. Вещества поступают в клетки и организмы, а также переносятся внутри них в виде водных растворов.
3. Вода участвует в биохимических реакциях, протекающих в клетке (гидролиз веществ), является источником кислорода и водорода при фотолизе в световую фазу фотосинтеза.
4. Вода играет важную роль в осуществлении теплорегуляции.
5. Вода является составной частью слизей, образующихся в органах дыхания и пищеварения, а также секретов некоторых желез и органов: пищеварительных соков, желчи, слюны, пота, слёз и т. д.
16. Химические элементы живых систем. Макро-, микро-, ультрамикроэлементы.
Химические элементы, входящие в состав живых систем, делят на:
1. Макроэлементы – O, C, N, H (основные, или органогены, составляют около 98-99%), Ca, K, Si, Mg, P, S, Na, Cl, Fe (в сумме около 1-2%) – составляют основную массу организма
2. Микроэлементы – Mn, Со, Zn, Сu, В, I, F, Mo и др. Их суммарное содержание в клетке составляет порядка 0, 1%.
3. Ультрамикроэлементы – Se, U, Hg, Ra, Au, Ag и др. Их содержание в клетке очень незначительно (менее 0, 01%), а физиологическая роль большинства из них не раскрыта.
Большая часть неорганических веществ в клетке находится в виде солей – либо диссоциированных на ионы, либо в твердом состоянии.
Из катионов важны K+, Na+, Ca2+, Mg2+,
Из анионов важны H2PO4-, Cl-, HCO3-.
17. Биологические полимеры. Углеводы. Строение, свойства, функции, типичные представители группы.
Углеводы (глициды) — органические вещества, содержащие карбонильную группу и несколько гидроксильных групп. Название этого класса соединений происходит от слов «гидраты углерода», оно было предложено Карлом Шмидтом в 1844 году. Появление такого названия связано с тем, что первые из известных науке углеводов описывались брутто-формулой Cx(H2O)y, формально являясь соединениями углерода и воды.
|
|
|
Сахара — другое название низкомолекулярных углеводов: моносахаридов, дисахаридов и олигосахаридов.
Углеводы являются неотъемлемым компонентом клеток и тканей всех живых организмов представителей растительного и животного мира, составляя (по массе) основную часть органического вещества на Земле. Источником углеводов для всех живых организмов является процесс фотосинтеза, осуществляемый растениями.
Углеводы — весьма обширный класс органических соединений, среди них встречаются вещества с сильно различающимися свойствами. Это позволяет углеводам выполнять разнообразные функции в живых организмах. Соединения этого класса составляют около 80 % сухой массы растений и 2—3 % массы животных.
По факту углеводы являются альдо- и кетопроизводными многоатомных спиртов. По этому признаку различают альдозы (карбонильная группа на конце структурной цепи) и кетозы (карбонильная группа на любом другом атоме углерода в цепи).
Существуют в двух основных формах: циклической, которая полимеризуется и из которой состоят кристаллы моно- и дисахаридов, и цепочечной, которая используется во всех связанных с углеводами метаболических цепях, за исключением синтеза и гидролиза запасных углеводов.
По количеству атомов в структурной цепи (3-10) различают триозы (С3), тетрозы (С4), пентозы (С5), гексозы (С6) и т. д. Среди них наибольшее распространение получили пентозы и гексозы. Типиные представители: С3 – глицеральдегид, С4 – эритроза, С5 – рибоза, С6 – глюкоза.
Все углеводы состоят из отдельных единиц, называемых сахаридами. По количеству этих единиц их классифицируют на три основные группы:
1. Моносахариды – углеводы, состоящие из одного мономера, не гидролизуются с образованием более простых. Обычно представляют собой бесцветные, хорошо растворимые в воде твердые прозрачные органические соединения. Водные растворы имеют нейтральный pH. Некоторые обладают сладким вкусом. Моносахариды – стандартные блоки для образования углеводов остальных групп.
|
|
|
2. Олигосахариды – углеводы, молекулы которых синтезированы из 2—10 остатков моносахаридов, соединённых гликозидными связями. Соответственно различают: дисахариды, трисахариды и так далее. Олигосахариды, состоящие из одинаковых моносахаридных остатков, называют гомополисахаридами, а из разных — гетерополисахаридами. Наиболее распространены среди олигосахаридов дисахариды. Среди природных трисахаридов наиболее распространена рафиноза — невосстанавливающий олигосахарид, содержащий остатки фруктозы, глюкозы и галактозы — в больших количествах содержится в сахарной свёкле и во многих других растениях. Рассмотрим подробнее дисахариды.
Дисахариды – сложные органические соединения, одна из основных групп углеводов, при гидролизе каждая молекула распадается на две молекулы моносахаридов, являются частным случаем олигосахаридов. По строению дисахариды представляют собой гликозиды, в которых две молекулы моносахаридов соединены друг с другом гликозидной связью, образованной в результате взаимодействия гидроксильных групп (двух полуацетальных или одной полуацетальной и одной спиртовой). В зависимости от строения дисахариды делятся на две группы: восстанавливающие (мальтоза, лактоза, целлобиоза) и невосстанавливающие (сахароза). Например, в молекуле мальтозы у второго остатка моносахарида (глюкозы) имеется свободный полуацетальный гидроксил, придающий данному дисахариду восстанавливающие свойства. Дисахариды наряду с полисахаридами являются одним из основных источников углеводов в рационе человека и животных.
3. Полисахариды – общее название класса сложных высокомолекулярных углеводов, молекулы которых состоят из десятков, сотен или тысяч мономеров — моносахаридов. С точки зрения общих принципов строения в группе полисахаридов возможно различить гомополисахариды, синтезированные из однотипных моносахаридных единиц и гетерополисахариды, для которых характерно наличие двух или нескольких типов мономерных остатков. Гомополисахариды (гликаны), состоящие из остатков одного моносахарида, могут быть гексозами или пентозами, то есть в качестве мономера может быть использована гексоза или пентоза. В зависимости от химической природы полисахарида различают глюканы (из остатков глюкозы), маннаны (из маннозы), галактаны (из галактозы) и другие подобные соединения. К группе гомополисахаридов относятся органические соединения растительного (крахмал, целлюлоза, пектиновые вещества), животного (гликоген, хитин) и бактериального (декстраны) происхождения. Полисахариды необходимы для жизнедеятельности животных и растительных организмов. Это один из основных источников энергии организма, образующейся в результате обмена веществ. Полисахариды принимают участие в иммунных процессах, обеспечивают сцепление клеток в тканях, являются основной массой органического вещества в биосфере.
|
|
|
Основные полисахариды
a. Крахмал (C6H10O5)n — смесь двух гомополисахаридов: линейного — амилозы и разветвлённого — амилопектина, мономером которых является альфа-глюкоза. Белое аморфное вещество, не растворимое в холодной воде, способное к набуханию и частично растворимое в горячей воде. Молекулярная масса 105—107 Дальтон. Крахмал, синтезируемый разными растениями в хлоропластах, под действием света при фотосинтезе, несколько различается по структуре зёрен, степени полимеризации молекул, строению полимерных цепей и физико-химическим свойствам. Как правило, содержание амилозы в крахмале составляет 10—30 %, амилопектина — 70—90 %. Молекула амилозы содержит в среднем около 1000 остатков глюкозы, связанных между собой альфа-1, 4-связями. Отдельные линейные участки молекулы амилопектина состоят из 20—30 таких единиц, а в точках ветвления амилопектина остатки глюкозы связаны межцепочечными альфа-1, 6-связями. При частичном кислотном гидролизе крахмала образуются полисахариды меньшей степени полимеризации — декстрины (C6H10O5)p, а при полном гидролизе — глюкоза.
b. Гликоген (C6H10O5)n — полисахарид, построенный из остатков альфа-D-глюкозы — главный резервный полисахарид высших животных и человека, содержится в виде гранул в цитоплазме клеток практически во всех органах и тканях, однако, наибольшее его количество накапливается в мышцах и печени. Молекула гликогена построена из ветвящихся полиглюкозидных цепей, в линейной последовательности которых, остатки глюкозы соединены посредством альфа-1, 4-связями, а в точках ветвления межцепочечными альфа-1, 6-связями. Эмпирическая формула гликогена идентична формуле крахмала. По химическому строению гликоген близок к амилопектину с более выраженной разветвлённостью цепей, поэтому иногда называется неточным термином «животный крахмал». Молекулярная масса 105—108 Дальтон и выше. В организмах животных является структурным и функциональным аналогом полисахарида растений — крахмала. Гликоген образует энергетический резерв, который при необходимости восполнить внезапный недостаток глюкозы может быть быстро мобилизован — сильное разветвление его молекулы ведёт к наличию большого числа концевых остатков, обеспечивающих возможность быстрого отщепления нужного количества молекул глюкозы. В отличие от запаса триглицеридов (жиров) запас гликогена не настолько ёмок (в калориях на грамм). Только гликоген, запасённый в клетках печени (гепатоцитах) может быть переработан в глюкозу для питания всего организма, при этом гепатоциты способны накапливать до 8 процентов своего веса в виде гликогена, что является максимальной концентрацией среди всех видов клеток. Общая масса гликогена в печени взрослых может достигать 100—120 граммов. В мышцах гликоген расщепляется на глюкозу исключительно для локального потребления и накапливается в гораздо меньших концентрациях (не более 1 % от общей массы мышц), тем не менее общий запас в мышцах может превышать запас, накопленный в гепатоцитах.
|
|
|
c. Целлюлоза (клетчатка) — наиболее распространённый структурный полисахарид растительного мира, состоящий из остатков альфа-глюкозы, представленных в бета-пиранозной форме. Таким образом, в молекуле целлюлозы бета-глюкопиранозные мономерные единицы линейно соединены между собой бета-1, 4-связями. При частичном гидролизе целлюлозы образуется дисахарид целлобиоза, а при полном — D-глюкоза. В желудочно-кишечном тракте человека целлюлоза не переваривается, так как набор пищеварительных ферментов не содержит бета-глюкозидазу. Тем не менее, наличие оптимального количества растительной клетчатки в пище способствует нормальному формированию каловых масс[5]. Обладая большой механической прочностью, целлюлоза выполняет роль опорного материала растений, например, в составе древесины её доля варьирует от 50 до 70 %, а хлопок представляет собой практически стопроцентную целлюлозу.
d. Хитин — структурный полисахарид низших растений, грибов и беспозвоночных животных (в основном роговые оболочки членистоногих — насекомых и ракообразных). Хитин, подобно целлюлозе в растениях, выполняет опорные и механические функции в организмах грибов и животных. Молекула хитина построена из остатков N-ацетил-D-глюкозамина, связанных между собой бета-1, 4-гликозидными связями. Макромолекулы хитина неразветвлённые и их пространственная укладка не имеет ничего общего с целлюлозой.
e. Пектиновые вещества — полигалактуроновая кислота, содержится в плодах и овощах, остатки D-галактуроновой кислоты связаны альфа-1, 4-гликозидными связями. В присутствии органических кислот способны к желеобразованию, применяются в пищевой промышленности для приготовления желе и мармелада. Некоторые пектиновые вещества оказывают противоязвенный эффект и являются активной составляющей ряда фармацевтических препаратов, например, производное подорожника «плантаглюцид».
f. Мурамин (лат. Murus — стенка) — полисахарид, опорно-механический материал клеточной стенки бактерий. По химическому строению представляет собой неразветвлённую цепь, построенную из чередующихся остатков N-ацетилглюкозамина и N-ацетилмурамовой кислоты, соединённых бета-1, 4-гликозидной связью. Мурамин по структурной организации (неразветвлённая цепь бета-1, 4-полиглюкопиранозного скелета) и функциональной роли весьма близок к хитину и целлюлозе.
g. Декстраны — полисахариды бактериального происхождения — синтезируются в условиях промышленного производства микробиологическим путём (воздействием микроорганизмов Leuconostoc mesenteroides на раствор сахарозы), и используются в качестве заменителей плазмы крови (так называемые клинические «декстраны»: Полиглюкин и другие).
Функции углеводов:
1. Структурная и опорная
2. У растений – защитная (колючки и т. п. )
3. Пластическая (входят в состав сложных молекул, например, рибоза и дезоксирибоза входят в состав нуклеиновых кислот)
4. Энергетическая
5. Запасающая
6. Осмотическая. Углеводы участвуют в регуляции осмотического давления в организме. Так, в крови содержится 100—110 мг/л глюкозы, от концентрации глюкозы зависит осмотическое давление крови.
7. Рецепторная. Углеводы входят в состав воспринимающей части многих клетоных рецепторов или лигандов
|
|
|
